JP6450249B2 - 空間スケジューリング方法、及び、空間スケジューリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、基地局装置と複数の無線局装置との間の空間多重通信に関わるスケジューリング方法に関し、特に、ＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output）による高速伝送技術に関する。

現在、スマートフォンの爆発的な普及に伴って、利便性の高いマイクロ波帯の周波数資源が枯渇している。対策として、第３世代の携帯電話から第４世代の携帯電話への移行や、新しい周波数帯の割り当てが行われている。しかし、サービスの提供を望む事業者が多いことから、各事業者に割り当てられる周波数資源は限られている。

携帯電話のサービスにおいては、複数のアンテナ素子を利用したマルチアンテナ・システムによる周波数利用効率の向上を目指す検討が進められている。既に普及している無線標準規格ＩＥＥＥ(The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc.)８０２．１１ｎでは、送信と受信との双方に複数のアンテナ素子を用いるＭＩＭＯ伝送技術を用いることで空間多重伝送が行われている。これにより、ＩＥＥＥ８０２．１１ｎでは、伝送容量を高めて周波数利用効率を向上させることが行われている。なお、ＭＩＭＯという用語は、一般には送信局及び受信局共に複数アンテナを備えることを想定して使われる。受信側が単数アンテナの場合には、ＭＩＭＯではなく、ＭＩＳＯ(Multiple Input Single Output)という用語が使われる。ただし、以下では、これらを全て包含する意味でＭＩＭＯという用語を用いる。

最近の通信技術としては、ＯＦＤＭ(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)変調方式やＳＣ−ＦＤＥ(Single Carrier Frequency Domain Equalization)方式のように、複数のサブキャリア（周波数成分）に分割して周波数軸上で信号処理を行う方式が一般的である。以下の説明では、特にＯＦＤＭやＳＣ−ＦＤＥの区別をせず、それらに共通する一般的な方式を前提として「サブキャリア」という用語を用いて説明する。

ＭＩＭＯ伝送技術においては、送信局と受信局との間の伝送路情報を知ることで、より効率的な伝送を行うことが可能となる。最も単純な例としては、送信側にＮ本のアンテナ素子を備え、受信側に１本のアンテナ素子のみを備え、Ｎ本のアンテナ素子から送信される信号が受信アンテナにおいて同位相合成されるように送信側で指向性制御を行う技術がある。これにより、回線利得を高めることができる。具体的には、第ｋサブキャリアにおける送信局の第ｊアンテナから受信局のアンテナまでの間のチャネル情報をｈ_ｊ ^（ｋ）としたときに、そのアンテナ素子に対して下記の式（１）の送信ウエイトｗ_ｊ ^（ｋ）を算出し、これを送信信号に乗算したものを各アンテナから送信する。なお、上記チャネル情報は、厳密には、送信系および受信系のＲＦ(Radio Frequency)回路内のアンプ、フィルタ等の複素位相の回転、及び振幅の変動情報を含む。

各アンテナに対応させたチャネル情報及び送信ウエイトを各成分とするベクトルを、チャネルベクトルｈ^（ｋ）＝（ｈ_１ ^（ｋ），．．．，ｈ_ｊ ^（ｋ），．．．，ｈ_Ｎ ^（ｋ））および送信ウエイトベクトルｗ^（ｋ）＝（ｗ_１ ^（ｋ），．．．，ｗ_ｊ ^（ｋ），．．．，ｗ_Ｎ ^（ｋ））^Ｔ（Ｔは転置を表す）と称する。受信信号Ｒｘは、送信信号Ｔｘおよびノイズｎを用いて下記の式（２）で与えられる。

式（１）を式（２）に代入すると、チャネルベクトルｈ^（ｋ）の各成分ｈ_ｊ ^（ｋ）の絶対値を全成分にわたって加算した値がチャネル利得として得られる。Ｎ本のアンテナで信号が送信された場合、１本のアンテナで信号が送信された場合と比較して、受信信号は振幅がＮ倍になると期待される。この値が複数のアンテナ素子をアレーアンテナとして利用した場合の利得である。

一般的には、シャノンの定理により、ＳＮＲ(Signal-Noise Ratio)の改善量に対して、伝送容量の増加は、低ＳＮＲ領域ほど大きく、高ＳＮＲ領域ほど小さいことが知られている。そのため、回線利得の改善によって伝送容量の向上を目指すより、受信側にも複数のアンテナを備え、空間多重によって伝送容量の向上を目指すことが多い。空間多重によって伝送容量のアップを目指すのがＭＩＭＯ伝送技術である。複数の送信アンテナと受信アンテナとの間のチャネル情報が既知の場合には、そのチャネル行列をＳＶＤ(Singular Value Decomposition）分解し、固有モードでの伝送を行うことで伝送容量を最大化する。具体的には、式（３）のように、チャネル行列Ｈをユニタリー行列ＵとＶ、および特異値λを対角成分にもつ対角行列Ｄに分解する。

この際、送信ウエイト行列としてユニタリー行列Ｖを用いれば、受信信号ベクトルＲｘは、送信信号ベクトルＴｘ、ノイズベクトルｎに対して、式（４）で与えられる。

受信側では、ユニタリー行列Ｕのエルミート共役の行列Ｕ^Ｈを乗算することで、式（５）を得る。

式（５）において、対角行列Ｄの非対角成分はゼロであるから、送信信号のクロスタームは既にキャンセルされ、信号分離された状態となる。各特異値λの絶対値の２乗値が個別の信号系列の回線利得に相当する。各特異値λは、信号系統ごとに異なる値となる。この固有モードの特異値にあわせた伝送モードを最適化することによって、伝送容量を最大化することができる。伝送モードは、変調多値数と誤り訂正の符号化率などの組み合わせで定まる信号伝送の具体的なモードである。

上記は、１台の基地局装置と１台の端末局装置とを想定したシングルユーザＭＩＭＯ伝送技術に関する説明である。同様の説明は、１台の基地局装置と複数台の端末局装置との間において同時に同一周波数軸上で通信を行うマルチユーザＭＩＭＯにも拡張可能である。マルチユーザＭＩＭＯにおいては、一般に、各端末局装置は空間多重する合計の信号系統数よりも少ない本数のアンテナ素子で通信を行う。そのため、ダウンリンクにおいては、送信側で事前にユーザ間干渉を抑圧するための指向性制御を行う。具体的な式は若干異なるが、基本的には上記の固有モード伝送と同様に、チャネル行列を把握した上でそれに合わせた送信ウエイトを用いる。

また、上記の説明では、ダウンリンクを中心に説明を行ったが、アップリンクにおいても同様に事前にチャネル情報を把握した上で、そのチャネル情報を利用した通信を行うことができる。例えば、最初に説明したアレーアンテナとしての処理においては、式（１）にて与えられる同位相合成のウエイトを受信ウエイトとして用いる他、最大比合成のウエイトとして、式（６）で与えられるものを用いることも可能である。

式（６）の定数Ｃは適宜定められる係数である。ベクトルの各成分の中でｈ_ｊ ^（ｋ）の絶対値が大きいものは大きな重みで足し合わさるように、また小さな信号は小さな重みで足し合わされるように、係数Ｃが決定される。これにより、ＳＮＲの大きな信号を重視し、ＳＮＲの小さな信号の雑音が過度に影響を与えないように調整が図られる。

以上のマルチユーザＭＩＭＯ及びアレーアンテナの技術を更に発展させた新しい空間多重伝送技術として、大規模アンテナシステムの提案がなされている（非特許文献１及び非特許文献２参照）。

図６は、大規模アンテナシステムの例を示す図である。図６には、基地局装置１と、無線局装置２と、見通し波３と、ビル等の構造物による安定反射波４と、地上付近の多重反射波５と、地上付近の多重反射波６と、構造物７とが示されている。図６の大規模アンテナシステムにおいては、基地局装置１は、多数（例えば１００本以上）のアンテナ素子を用いて、ビルの屋上や高い鉄塔の上など高所に設置される。無線局装置２も同様に、ビルの屋上、家屋の屋根の上、電信柱や鉄塔の上など高所に設置される。そのため、基地局装置１と無線局装置２の間は概ね見通し環境にあり、その間には見通し波３のパスや大型の安定的な構造物７の安定反射波４などに加え、地上付近での車や人などの移動体などによる多重反射波５及び６が混在する。無線局装置２は高所にある。更に指向性アンテナを用いる場合などは特に、地上付近の多重反射波５及び６は、見通し波３及び安定反射波４などに比べて受信レベルが低くなる。

図７は、見通し外環境と見通し環境とのそれぞれにおける、インパルス応答を示す図である。図７（ａ）は見通し外環境でのインパルス応答を示している。図７（ｂ）は見通し環境でのインパルス応答を示している。図７（ａ）と図７（ｂ）において、横軸は遅延時間、縦軸は各遅延波の受信レベルを表す。図７（ａ）に示した見通し外環境の場合、見通し区間の直接波成分は存在せず、様々な経路の多重反射波が数多く成分として存在し、各振幅及び複素位相は時間と共にランダムに激しく変動する。これに対し、図６に示した大規模アンテナシステムのような見通し環境を想定する場合、見通し波３及び構造物７による安定反射波４の安定パスはレベルが高い。見通し波３及び構造物７による安定反射波４よりも一般的に遅延量が大きい時変動パスの多重反射波は、多重反射と経路長にともなう減衰により、図７（ｂ）に示すように相対的にレベルが小さくなる。このようなチャネル情報を複数回取得して平均化すると、安定パスの成分は振幅及び複素位相共に毎回安定して同様の値を取っているにもかかわらず、時変動パスの成分は複素空間上でランダムに合成され平均化される。そのため、平均化により安定成分のみを効果的に抽出することが可能になる。

このようにして得られる時変動のない安定パスのチャネル情報に基づいて、基地局装置１（図６参照）は送受信ウエイトを算出する。基地局装置１は、算出した送受信ウエイトを用いて多数のアンテナ素子で同位相合成を行うための指向性制御を行う。上記の送受信ウエイトを用いることで、基地局装置１は、指向性制御のターゲットとする通信相手の無線局装置への指向性利得をアンテナ本数Ｎの２乗倍に比例して高めることができる。また、ターゲット以外の無線局装置への与干渉の指向性利得はＮ倍に留まるため、相対的に希望信号と干渉信号との間には単純計算でＮ倍のギャップが生じる。結果的にＳＩＲ(Signal to Interference Ratio)の期待値は１０Ｌｏｇ_１０（Ｎ）［ｄＢ］となる。この期待値は、Ｎが１００の場合には２０ｄＢとなる。更に相関の小さな無線局装置を選択的に空間多重する場合には、更なるＳＩＲ特性の改善が期待され、より高い空間多重が実現できる。

非特許文献２には、上記の送受信ウエイトでは抑圧しきれない干渉を更に抑圧するための技術や、チャネル情報の空間相関（チャネル相関）のより低い無線局装置の組み合わせを選択する技術が紹介されている。超高次の空間多重を実現するためには、チャネル相関の小さな無線局装置を組み合わせることが重要である。基地局装置の多数のアンテナと第ｊ無線局装置との間の第ｋサブキャリアに関するチャネル情報を成分とするチャネル情報ベクトル→ｈ_ｊ ^（ｋ）（「ｈ_ｊ ^（ｋ）」の前の記号「→」は、ｈの上に付与されてベクトルを表すための記号である）と、別の第ｉ無線局装置におけるチャネル情報ベクトルｈ_ｉ ^（ｋ）との間のチャネル相関は、式（７）で与えられる。

見通し波のみで構成される仮想的なチャネルモデルを想定すると、上記のチャネル相関は、２台の無線局装置２の方位角の差θに強く依存した振る舞いを示すと考えられる。

図８は、基地局装置１からの方位角の差がθである２台の無線局装置２の座標の例を示す図である。無線局装置２−１のチャネル情報ベクトルを→ｈ_１ ^（ｋ）とし、無線局装置２−２のチャネル情報ベクトルを→ｈ_２ ^（ｋ）とすると、基地局装置１からの方位角の差θに依存するチャネル相関を算出することができる。

図９は、基地局装置１からの方位角の差と、チャネル相関との関係の例を示す図である。ここでのシミュレーション条件としては、基地局装置１のアンテナ数を１２８本とし、５．２ＧＨｚの周波数帯において、２波長間隔で１２８本のアンテナを円形に配置することを想定した。基地局装置１と無線局装置２との間は３ｋｍで固定し、円形に無線局装置２の座標を動かしながらチャネル相関を計算している。図９を読み取ると、方位角の差θが例えば５度程度以下である場合、チャネル相関は大きな値になる場合があるが、方位角の差θが閾値α度を越える場合、チャネル相関は概ね０．２以下となる。非特許文献２に示されるスケジューリング法は、基地局装置１からの方位角の差が５度以上である場合にチャネル相関が低くなることを積極的に利用するスケジューリング方法である。

特開２０１４−２３０２５７号公報

太田厚 外、「大規模アンテナ無線エントランスシステムの提案 〜マルチユーザMIMO技術の新しいアプローチ〜」、信学技報, vol.113, no.8, RCS2013-5, pp.25-30, 2013年4月. 丸田一輝 外、「大規模アンテナ無線エントランスシステムの提案 〜計算機シミュレーションによる特性評価〜」、信学技報, vol.113, no.8, RCS2013-6, pp.31-36, 2013年4月. 新井拓人 外、「大規模アンテナ無線エントランスシステムにおける複数平面平行四辺形アレー及び簡易ユーザスケジューリングを用いたシステム化の検討」、信学技報, vol.114, no.86, RCS2014-78, pp.269-274, 2014年6月.

図９に示す関係の特性については、基地局装置１のアンテナ素子を水平面上に円形に配置する円形アレーや非等間隔アレーのような、明確なグレーティングローブが出現しない条件において確認できる特徴である。しかしながら、基地局装置１のアンテナ素子を、直線上に配置するリニアアレーや、垂直面上に正方格子状に配置する正方アレーなどの等間隔アレーとした場合、複数の無線局装置２に方位角の差があっても、無線局装置２と基地局装置１との距離や、無線局装置２と基地局装置１との高度の差によって、高相関となる位置座標が存在し、図９に示す関係は成り立たない。これは、特に見通しの強い環境において明確に現れる。

したがって、前記のような場合には、非特許文献２のスケジューリングを適用しても、安定した特性改善は見込むことが出来ない。基地局装置１のアンテナ素子の配置を等間隔アレーとすることで、各アンテナ素子から送信された信号の受信点における位相関係が規則的になり、チャネル相関の超低相関化が実現可能である。ゆえに、アンテナ配置による空間相関低減の最大化を図る上では、アンテナは等間隔アレーとすることが望ましい。

また、チャネルにマルチパス成分が存在する環境において、信号が広帯域の場合、異なる無線局装置２の間のチャネルの空間相関に変動が周波数ごとに生じることが想定される。したがって、非特許文献３に記載のようなチャネル情報を用いたスケジューリング法では、サブキャリアごとにスケジューリングの評価をする必要が生じる。ゆえに、基地局装置１側のアンテナ構成が等間隔アレーの場合、チャネル情報を用いずに、無線局装置２の位置情報のみで運用可能な簡易スケジューリング法は有用である。

しかしながら、従来の空間スケジューリング方法、及び、従来の空間スケジューリング装置は、等間隔アレーを用いた空間多重伝送に適用された場合、特定の方位角で空間相関が高くなり、チャネル容量が低下する場合があった。

上記事情に鑑み、本発明は、等間隔アレーを用いた空間多重伝送において、チャネル容量を向上させることが可能である空間スケジューリング方法、及び、空間スケジューリング装置を提供することを目的としている。

本発明の一態様は、等間隔アレーを有するアンテナを制御する基地局装置と複数の無線局装置との間で空間多重伝送を実行する無線通信システムにおける空間スケジューリング方法であって、複数の前記無線局装置の位置情報を取得するステップと、前記空間多重伝送を同時に実行する前記無線局装置の組み合わせに対して、予め定められた条件を満たすか否かを前記位置情報に基づいて前記無線局装置ごとに判定するステップと、前記条件を満たす前記無線局装置を前記組み合わせに加えるステップと、前記組み合わせに対して無線リソースを割り当てるステップと、を有する空間スケジューリング方法である。

本発明の一態様は、上記の空間スケジューリング方法であって、前記条件は、チャネルの空間相関が閾値以下になるという条件である。

本発明の一態様は、上記の空間スケジューリング方法であって、前記等間隔アレーは、ブロードサイドアレー、リニアアレー又は格子状にアンテナ素子を配置したアレーである。

本発明の一態様は、上記の空間スケジューリング方法であって、前記格子状にアンテナ素子を配置したアレーは、正方形若しくは長方形の格子状にアンテナ素子を配置したアレー、又は、平行四辺形の格子状にアンテナ素子を配置した平行四辺形アレーである。

本発明の一態様は、等間隔アレーを有するアンテナを制御する基地局装置と複数の無線局装置との間で空間多重伝送を実行する無線通信システムにおける空間スケジューリング装置であって、複数の前記無線局装置の位置情報を取得し、前記空間多重伝送を同時に実行する前記無線局装置の組み合わせに対して、予め定められた条件を満たすか否かを前記位置情報に基づいて前記無線局装置ごとに判定し、前記条件を満たす前記無線局装置を前記組み合わせに加える条件判定部と、前記組み合わせに対して無線リソースを割り当てる割当部と、を備える空間スケジューリング装置である。

本発明の一態様は、上記の空間スケジューリング装置であって、前記条件は、チャネルの空間相関が閾値以下になるという条件である。

本発明の一態様は、上記の空間スケジューリング装置であって、前記等間隔アレーは、ブロードサイドアレー、リニアアレー又は格子状にアンテナ素子を配置したアレーである。

本発明の一態様は、上記の空間スケジューリング装置であって、前記格子状にアンテナ素子を配置したアレーは、正方形若しくは長方形の格子状にアンテナ素子を配置したアレー、又は、平行四辺形の格子状にアンテナ素子を配置した平行四辺形アレーである。

本発明により、等間隔アレーを用いた空間多重伝送において、チャネル容量を向上させることが可能となる。

本発明の実施形態における、無線通信システムの第１例を示す図である。 本発明の実施形態における、無線通信システムの第２例を示す図である。 本発明の実施形態における、無線通信システムの第３例を示す図である。 本発明の実施形態における、空間スケジューリング装置の構成例を示す図である。 本発明の実施形態における、空間スケジューリング処理の例を示すフローチャートである。 大規模アンテナシステムの例を示す図である。 見通し外環境と見通し環境とのそれぞれにおける、インパルス応答の例を示す図である。 基地局装置からの方位角の差がθである２台の無線局装置の座標の例を示す図である。 基地局装置からの方位角の差と、チャネル相関との関係の例を示す図である。

本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態における、無線通信システムの第１例を示す図である。図１では、無線通信システム１００（大規模アンテナシステム）は、基地局装置１０と、無線局装置２０と、無線局装置３０と、アンテナ４０とを備える。無線通信システム１００は、更に多くの無線局装置を備えてもよい。基地局装置１０は、例えば、基地局に備えられる。基地局装置１０は、アンテナ４０を制御する。アンテナ４０は、ブロードサイドアレー４１を備える。ブロードサイドアレー４１は、アンテナ素子を直線上に水平方向に配置した等間隔アレーである。

無線通信システム１００は、送受信される無線信号を多数のアンテナ素子によって同位相合成することにより、指向性利得を向上させ、空間多重時のＳＩＲ特性を改善することができる。ここで、空間多重時のＳＩＲ特性は、無線局装置２０と無線局装置３０との間のチャネルの空間相関が低相関であるほど向上する。

なお、指向性を向けた所望の受信点（例えば、無線局装置２０）において、所望波が同位相で受信されるように所望波の位相が制御された場合、干渉波の位相については制御されずにランダムに合成される。したがって、干渉波が一部で重なることはあっても、平均化すると干渉波の合成利得は無視することができる。

見通し波が支配的な場合、無線局装置２０と無線局装置３０との間のチャネルの空間相関は、基地局装置１０が制御するアンテナ４０のアンテナ素子の配置と、無線局装置２０と無線局装置３０との間の位置関係とに依存する。基地局装置１０が制御するアンテナが等間隔アレーである場合、基地局装置１０は、無線局装置２０と、無線局装置２０に対して高相関となる可能性が高い無線局装置３０との位置関係を、把握することができる。

まず、基地局装置１０のアンテナが、アンテナ素子を水平方向に等間隔に配置するブロードサイドアレーである場合における、チャネルの空間相関が高相関となる確率が高い無線局装置２０と無線局装置３０との位置関係について説明する。

以下、基準方位５０は、アンテナ４０のアンテナ素子の指向性が向く方向である。図１では、無線局装置２０（無線局装置i）は、基地局装置１０からの水平方向の方位角が基準方位５０に対してθ_ｈｉとなる方位に位置している。また、無線局装置３０（無線局装置ｊ）は、基準方位５０に対して水平方向に無線局装置２０とは反対側（負値）の方位角「−θ_ｈｊ」となる位置に存在している。

以下、ｄ_ｈａｎｔは、アンテナ４０において等間隔に並ぶアンテナ素子の水平方向の間隔を示す。λは波長を示す。無線信号の位相状態が等しくなることによって無線局装置２０（無線局装置i）とのチャネルの空間相関が高相関となる水平方向の方位角θ_ｈｇ（ｉ）は、式（８）で与えられる。

式（８）に示すｎは、式（９）を満たす値０以上の整数である。

無線局装置２０（無線局装置i）とのチャネルの空間相関が高相関となる方位角θ_ｈｇ（ｉ）は、無線局装置２０（無線局装置i）に対して所望のメインビームを形成した場合に、水平方向のリニアアレーによってグレーティングローブが出現する水平方向の方位角である。また、ｎ＝０である場合、θ_ｈｇ（ｉ）は、無線局装置２０（無線局装置i）に対して所望のメインビームをアンテナ４０が形成した場合に、メインビームが干渉する水平方向の方位角である。

したがって、無線局装置２０（無線局装置i）の方位角θ_ｈｉが基準方位５０に対して−９０度から＋９０度までの範囲にあり、かつ、間隔ｄ_ｈａｎｔが２分の１波長（＝λ／２）以下である場合、チャネルの空間相関が高相関となる方位角θ_ｈｇ（ｉ）は、メインビームのみの方向を示す方位角となる。

無線局装置２０（無線局装置i）に対して所望のメインビームをアンテナ４０が形成した場合に、式（８）に示す方位角θ_ｈｇ（ｉ）と無線局装置３０（無線局装置ｊ）の方位角θ_ｈｊとの差が、ビーム幅ΔΨの半分（＝ΔΨ／２）以上に広い角度である場合、基地局装置１０は、無線局装置２０と無線局装置３０とのチャネルの空間相関が高相関となる（閾値を超える）ことを、回避することができる。ここで、ある方位角にビームの指向性が向いている場合、アンテナ４０のビーム幅（角度）は、そのビームの指向性が有効となる実効的なビーム幅として、式（１０）によって与えられる。

式（１０）におけるＮは、アンテナ４０のアンテナ素子の数を示す。ｄ_ａｎｔは、アンテナ４０のアンテナ素子の間隔を示す。したがって、無線局装置３０である無線局装置ｊの方位角θ_ｈｊが無線局装置ｉに対して式（１１）を満たす場合、基地局装置１０は、無線局装置２０（無線局装置i）と無線局装置３０（無線局装置ｊ）とのチャネルの空間相関が高相関となる（閾値を超える）ことを回避することができる。

式（１１）におけるＮ_ｈは、アンテナ４０のアンテナ素子の数を表す。また、θ_ｈｇ（ｉ）は、無線局装置２０（無線局装置i）の式（８）を満たすグレーティングローブの方位角を示す。なお、式（１１）は一例である。式（１１）の右辺の式は、ビーム幅に応じて高相関が回避できる（閾値以下となる）条件式であれば、特定の条件式に限定されない。

次に、基地局装置１０が制御するアンテナが、アンテナ素子を垂直方向に等間隔に配置したリニアアレーである場合における、チャネルの空間相関が高相関となる確率が高い無線局装置２０と無線局装置３０との位置関係について説明する。

図２は、無線通信システムの第２例を示す図である。図２では、無線通信システム１０１は、基地局装置１０と、無線局装置２０と、無線局装置３０と、アンテナ４０とを備える。無線通信システム１０１は、更に多くの無線局装置を備えてもよい。基地局装置１０は、例えば、基地局に備えられる。基地局装置１０は、アンテナ４０を制御する。リニアアレー４２は、アンテナ素子を直線上に垂直方向に配置した等間隔アレーである。

図２では、無線局装置２０（無線局装置i）は、基地局装置１０から距離ｒ_ｉの位置に存在する。無線局装置２０（無線局装置i）は、リニアアレー４２の高度を基準にして、高度差Ｌ_ｉとなる高度に存在する。この場合、垂直方向の方位角θ_ｖｉは、式（１２）によって与えられる。

ｄ_ｖａｎｔは、アンテナ４０に等間隔に配置されたアンテナ素子の垂直方向の間隔を示す。無線信号の位相状態が等しくなることによって無線局装置iとのチャネルの空間相関が高相関となる垂直方向の方位角θ_ｖｇ（ｉ）は、式（１３）によって与えられる。

式（１３）に示すｍは、式（１４）を満たす値０以上の整数である。

無線局装置２０（無線局装置i）とのチャネルの空間相関が高相関となる方位角θ_ｖｇ（ｉ）は、無線局装置２０（無線局装置i）に対して所望のメインビームをアンテナ４０が形成した場合に、垂直方向のアレーによってグレーティングローブが出現する垂直方向の方位角である。また、ｍ＝０である場合、θ_ｖｇ（ｉ）は、無線局装置２０（無線局装置i）に対して所望のメインビームをアンテナ４０が形成した場合に、メインビームが干渉する垂直方向の方位角である。

式（１３）における方位角θ_ｖｇ（ｉ）となる位置に無線局装置g（不図示）が配置されている場合、基地局装置１０と無線局装置gとの距離ｒ_ｇと、基地局装置１０と無線局装置gとの高度差Ｌ_ｇとは、式（１５）を満たす。

無線局装置iに対して所望のメインビームを形成した場合に、式（１３）に示す方位角θ_ｖｇ（ｉ）と無線局装置３０の方位角θ_ｖｊとの差が、ビーム幅ΔΨの半分（＝ΔΨ／２）以上に広い角度である場合、基地局装置１０は、無線局装置２０と無線局装置３０とのチャネルの空間相関が高相関となる（閾値を超える）ことを、回避することができる。したがって、無線局装置３０（無線局装置ｊ）の方位角θ_ｖｊが、無線局装置２０（無線局装置i）に対して式（１６）を満たす場合、基地局装置１０は、無線局装置２０と無線局装置３０とのチャネルの空間相関が高相関となることを回避することができる。

式（１６）におけるＮ_ｖは、アンテナ４０のアンテナ素子の数を表す。また、θ_ｖｇ（ｉ）は、無線局装置２０（無線局装置i）の式（１３）を満たすグレーティングローブの方位角を示す。図２では、無線局装置３０（無線局装置ｊ）は、基地局装置１０からの垂直方向の方位角が基準方位５０に対してθ_ｖｊとなる方位に位置している。なお、式（１６）は一例である。式（１６）の右辺の式は、ビーム幅に応じて高相関が回避できる条件式であれば、特定の条件式に限定されない。

次に、基地局装置１０のアンテナが、アンテナ素子を垂直面上に正方格子状に配置した正方アレーである場合における、チャネルの空間相関が高相関となる確率が高い無線局装置２０と無線局装置３０との位置関係について説明する。

図３は、無線通信システムの第３例を示す図である。図３では、無線通信システム１０２は、基地局装置１０と、無線局装置２０と、無線局装置３０と、アンテナ４０とを備える。無線通信システム１００は、更に多くの無線局装置を備えてもよい。基地局装置１０は、例えば、基地局に備えられる。基地局装置１０は、アンテナ４０を制御する。アンテナ４０は、正方アレー４３を備える。正方アレー４３は、アンテナ素子を垂直平面上に正方格子状に配置する等間隔アレーである。

正方アレーのように垂直平面上に２次元的にアンテナ素子を配置する場合、水平方向に位置の異なるアンテナ素子同士は、無線局装置２０と無線局装置３０との間の水平方向の方位差に対して、チャネルの空間相関の低減に寄与する。また、正方アレーのように垂直平面上に２次元的にアンテナ素子を配置する場合、垂直方向に位置の異なるアンテナ素子同士は、距離ｒ_ｉと距離ｒ_ｊとの差と、無線局装置２０と無線局装置３０との高度の差とに応じて、垂直方向の方位角の差に対して、チャネルの空間相関の低減に寄与する。

したがって、正方アレーのような平面アレーの指向性特性は、水平方向の指向特性と垂直方向の指向特性との乗算により表現することができる。このため、水平方向に並ぶリニアアレーにおける式（１１）と、垂直方向に並ぶリニアアレーにおける式（１６）とを、無線局装置２０及び無線局装置３０が満たす場合、基地局装置１０は高相関を回避することができる。

正方アレー４３は、平行四辺形の格子状にアンテナ素子を配置した平行四辺形アレーでもよい。特許文献１や非特許文献３に示されている平行四辺形格子状に配置する平行四辺形アレーを想定した場合に、高相関となる確率が高い無線局装置の位置関係について説明する。平行四辺形アレーにおいても、正方アレーのように水平方向の指向特性と垂直方向の指向特性の乗算により表現することができる。

平行四辺形アレーは正方アレーに傾斜を与えたものと考えることができる。このため、平行四辺形アレーにおいて高相関となる無線局装置同士の位置関係は、正方アレーにおいて高相関となる無線局装置同士の位置関係を、傾斜面上で考えればよい。したがって、水平方向において高相関となり得る方位角θ_ｈｇは、正方アレーと同様に式（８）で表すことができる。また、水平方向の条件式は式（１１）を用いればよい。

無線局装置３０（無線局装置ｊ）の方位角θ_ｈｊが方位角θ_ｈｇと等しい場合に、平行四辺形アレーの傾斜に相当する垂直方向の高度の差が正方アレー４３に生じた場合、正方アレーと同様に、無線局装置２０と無線局装置３０とが高相関となる確率は高くなる。平行四辺形アレーである正方アレー４３のアンテナ素子の水平方向へのオフセット（シフト）を示す傾斜θ_Ｓは、式（１７）で与えられる。

ここで簡単のため、水平方向の素子間隔ｄ_ｈａｎｔと、垂直方向の素子間隔ｄ_ｖａｎｔとが等しいとする。この場合、式（１７）は式（１８）のように表される。

したがって、垂直方向については傾斜θ_Ｓを考慮し、無線局装置２０である無線局装置ｉに対して、無線局装置３０（無線局装置ｊ）が、式（１９）又は式（２０）を満たす場合、基地局装置１０はチャネルの空間相関が高相関となることを回避可能である。

式（１９）に示す条件式と、式（２０）に示す条件式とは、正方アレー４３が垂直方向に対して傾く方向に応じて適宜選択される。ブロードサイドアレー、リニアアレー、正方アレー等について、条件式による高相関の判定には、正方アレー４３に対する無線局装置３０等の方位角に応じて複数の条件式を切り替えて用いられてもよい。

したがって、ブロードサイドアレー４１の条件式は、例えば、式（１１）である。リニアアレー４２の条件式は、例えば、式（１６）である。正方アレー４３の条件式は、例えば、式（１１）及び式（１６）の少なくとも一方である。正方アレー４３が平行四辺形アレーである場合、平行四辺形アレーの条件式は、例えば、式（１９）及び式（２０）の少なくとも一方である。

図４は、空間スケジューリング装置１１の構成例を示す図である。空間スケジューリング装置１１は、ベースバンド信号を処理する装置である。空間スケジューリング装置１１は、例えば、ベースバンド・ユニット（BBU：Base Band Unit）としての基地局装置１０に備えられる。空間スケジューリング装置１１は、記憶部１１０と、割当判定部１１１と、選択部１１２と、算出部１１３と、条件判定部１１４と、割当部１１５とを備える。

割当判定部１１１と、選択部１１２と、算出部１１３と、条件判定部１１４と、割当部１１５との一部または全部は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサが、メモリに記憶されたプログラムを実行することにより機能するソフトウェア機能部である。また、これらの機能部のうち一部または全部は、ＬＳＩ（Large Scale Integration）やＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等のハードウェア機能部であってもよい。

記憶部１１０は、例えば、ＲＯＭ（Read Only Memory）、フラッシュメモリ、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）などの不揮発性の記憶媒体（非一時的な記憶媒体）を有する。記憶部１１０は、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）やレジスタなどの揮発性の記憶媒体を有していてもよい。記憶部１１０は、例えば、ソフトウェア機能部を機能させるためのプログラムを記憶してもよい。

記憶部１１０は、基地局装置１０、無線局装置２０及び無線局装置３０の各位置情報を記憶する。位置情報は、人工衛星からの電波を利用した測位結果を示す座標情報でもよいし、地図データを利用した測位結果を示す座標情報でもよい。人工衛星は、例えば、ＧＰＳ（Global Positioning System）衛星や準天頂衛星である。

割当判定部１１１は、無線リソースの割り当て（空間スケジューリング）の対象とする無線局装置２０及び無線局装置３０の組み合わせの数を管理する。例えば、割当判定部１１１は、無線リソースの割り当て待ちとなっている無線局装置２０が存在するか否かを判定する。

選択部１１２は、無線リソースの割り当て待ちとなっている無線局装置２０が存在する場合、割り当て待ちの順番の先頭の無線局装置２０を１局選択する。選択部１１２は、選択した無線局装置２０を無線リソースの割り当て待ちの無線局装置ｉと定める。割り当て待ちの順番は、例えば、送信要求があった無線局装置の順である。

算出部１１３は、基地局装置１０、無線局装置２０及び無線局装置３０の各位置情報（座標）を、割当判定部１１１及び選択部１１２を介して、記憶部１１０から取得する。位置情報は、基地局装置１０に対する座標及び高度で表現される。位置情報は、基地局装置１０に対する水平方向の方位角θ_ｈｉ、垂直方向の方位角θ_ｖｉで表現されてもよい。算出部１１３は、選択された無線局装置２０である無線局装置ｉの位置情報に基づいて、式（８）を満たすグレーティングローブの水平方向の方位角θ_ｈｇ（ｉ）と、式（１３）を満たすグレーティングローブの垂直方向の方位角θ_ｖｇ（ｉ）とを算出する。

条件判定部１１４は、算出された方位角θ_ｈｇ（ｉ）及び方位角θ_ｖｇ（ｉ）が、無線リソースを割り当て済みの無線局装置の全てに対して条件式を満たすか否かを判定する。

割当部１１５は、方位角θ_ｈｇ（ｉ）及び方位角θ_ｖｇ（ｉ）が、無線リソースを割り当て済みの無線局装置の全てに対して条件式を満たす場合、選択された無線局装置２０（無線局装置ｉ）に対する無線リソースの割り当てを承認する。すなわち、割当部１１５は、方位角θ_ｈｇ（ｉ）及び方位角θ_ｖｇ（ｉ）が、無線リソースを割り当て済みの無線局装置の全てに対して所定の条件式を満たす場合、選択された無線局装置２０（無線局装置ｉ）を、同時に空間多重を行う無線局装置の組み合わせに加える。割当部１１５は、無線局装置の組み合わせについて、無線リソースの割り当てを示す情報を、無線処理装置１２に出力する。

無線処理装置１２は、無線リソースの割り当てを示す情報に基づいて、選択された無線局装置２０である無線局装置ｉに対して無線リソースを割り当てる。すなわち、無線処理装置１２は、無線リソースの割り当てを示す情報に基づいて、空間スケジューリングを実行する。無線処理装置１２は、無線リソースの割り当てに応じて変調処理を実行する。無線処理装置１２は、変調処理に応じてアンテナ４０を制御する。無線処理装置１２は、例えば、ＲＲＨ（Remote Radio Head）に備えられる。

アンテナ４０は、無線リソースの割り当てを示す情報に基づく無線処理装置１２による制御に応じて、ビームフォーミングを実行する。例えば、アンテナ４０は、無線処理装置１２による制御に応じて、無線通信のビームを無線局装置２０及び無線局装置３０に向けて送信する。空間スケジューリング装置１１と無線処理装置１２とアンテナ４０とは、同一の基地局に備えられてもよい。

次に、空間スケジューリング装置１１の動作を説明する。
図５は、空間スケジューリング処理の例を示すフローチャートである。空間スケジューリング装置１１は、図５に示す空間スケジューリング処理を実行する。

割当判定部１１１は、無線リソースの割り当ての対象とする無線局装置の組み合わせ（基地局装置１０が同時に空間多重を行う無線局装置の組み合わせ）における無線局装置の数を管理するためのカウンタ（変数）の値ｉを、初期値１にリセットする（ステップＳ１０１）。

割当判定部１１１は、無線リソースの割り当て待ちとなっている無線局装置２０が存在するか否かを判定する（ステップＳ１０２）。無線リソースの割り当て待ちとなっている無線局装置２０が存在しない場合（ステップＳ１０２：ＮＯ）、空間スケジューリング装置１１は、図５に示す空間スケジューリング処理を終了する。

無線リソースの割り当て待ちとなっている無線局装置２０が存在する場合（ステップＳ１０２：ＹＥＳ）、選択部１１２は、割り当て待ちの順番の先頭の無線局装置２０を１局選択し、選択した無線局装置２０を無線リソースの割り当て待ちの無線局装置ｉと定める（ステップＳ１０３）。

算出部１１３は、選択された無線局装置２０である無線局装置ｉの位置情報に基づいて、式（８）を満たすグレーティングローブの水平方向の方位角θ_ｈｇ（ｉ）と、式（１３）を満たすグレーティングローブの垂直方向の方位角θ_ｖｇ（ｉ）とを算出する（ステップＳ１０４）。

条件判定部１１４は、算出された方位角θ_ｈｇ（ｉ）及び方位角θ_ｖｇ（ｉ）が、割り当て済みの（ｉ−１）局の無線局装置の全てに対して、予め定められた条件式を満たすか否かを判定する（ステップＳ１０５）。

算出された方位角θ_ｈｇ（ｉ）及び方位角θ_ｖｇ（ｉ）が、割り当て済みの（ｉ−１）局の無線局装置の全てに対して条件式を満たす場合（ステップＳ１０５：ＹＥＳ）、割当部１１５は、選択された無線局装置２０である無線局装置ｉを、同時に空間多重を行う無線局装置の組み合わせに加える。すなわち、割当部１１５は、選択された無線局装置２０である無線局装置ｉに対する無線リソースの割り当てを承認する。割当部１１５は、同時に空間多重を行う複数の無線局装置の組み合わせについて、無線リソースの割り当てを示す情報を、無線処理装置１２に出力する（ステップＳ１０６）。

割当部１１５は、無線リソースの割り当ての対象とする無線局装置の組み合わせにおける無線局装置の数を管理するためのカウンタの値ｉに、値１を加算する（ステップＳ１０７）。

条件判定部１１４は、無線局装置２０及び無線局装置３０の組み合わせの数の上限値Ｉと、更新されたカウンタの値ｉとが等しいか否かを判定する（ステップＳ１０８）。無線局装置２０及び無線局装置３０の組み合わせの数の上限値Ｉと、カウンタの値ｉとが等しい場合（ステップＳ１０８：ＹＥＳ）、空間スケジューリング装置１１は、図５に示す空間スケジューリング処理を終了する。無線局装置２０及び無線局装置３０の組み合わせの数の上限値Ｉと、カウンタの値ｉとが異なる場合（ステップＳ１０８：ＮＯ）、条件判定部１１４は、ステップＳ１０２に処理を戻す。

算出された方位角θ_ｈｇ（ｉ）及び方位角θ_ｖｇ（ｉ）が、割り当て済みの（ｉ−１）局の無線局装置の全てに対して条件式を満たさない場合（ステップＳ１０５：ＮＯ）、割当部１１５は、選択された無線局装置２０である無線局装置ｉに対する無線リソースの割り当てをせずに保留する（ステップＳ１０９）。条件判定部１１４は、ステップＳ１０８に処理を進める。

以上のように、実施形態の空間スケジューリング方法は、等間隔アレーを有するアンテナ４０を制御する基地局装置１０と、無線局装置２０や無線局装置３０などの複数の無線局装置との間で、空間多重伝送を実行する無線通信システム１０２などにおける空間スケジューリング方法である。実施形態の空間スケジューリング方法は、無線局装置２０や無線局装置３０などの複数の無線局装置の位置情報を取得するステップと、空間多重伝送を同時に実行する無線局装置の組み合わせに対して、予め定められた条件式を満たすか否かを位置情報に基づいて無線局装置ごとに判定するステップと、条件式を満たす無線局装置を組み合わせに加えるステップと、組み合わせに対して無線リソースを割り当てるステップとを有する。

実施形態の空間スケジューリング装置１１は、等間隔アレーを有するアンテナ４０を制御する基地局装置１０と、無線局装置２０や無線局装置３０などの複数の無線局装置との間で、空間多重伝送を実行する無線通信システム１０２などにおける空間スケジューリング装置である。複数の無線局装置の位置情報を取得し、空間多重伝送を同時に実行する無線局装置の組み合わせに対して、予め定められた条件式を満たすか否かを位置情報に基づいて無線局装置ごとに判定し、条件式を満たす無線局装置を組み合わせに加える条件判定部１１４と、組み合わせに対して無線リソースを割り当てる割当部１１５とを備える。

これによって、実施形態の空間スケジューリング方法、及び、空間スケジューリング装置１１は、等間隔アレーを用いた空間多重伝送において、チャネル容量を向上させることが可能となる。

実施形態の空間スケジューリング方法、及び、空間スケジューリング装置１１は、基地局装置１０及び無線局装置２０等の位置情報を事前に取得し、位置情報に基づいて空間スケジューリングを実行する。これにより、実施形態の空間スケジューリング方法、及び、空間スケジューリング装置１１は、空間相関が高くならない無線局装置２０及び無線局装置３０を選択してＭＩＭＯ伝送を実行する。空間相関を低くできればＳＩＲ値は下がるので、空間多重数を増やしてもチャネル容量の規定値は満たされる。実施形態の空間スケジューリング方法、及び、空間スケジューリング装置１１は、伝送モードに要求されるＳＩＲ値を、位置情報を利用して実現することが可能となる。

上述した実施形態における基地局装置、空間スケジューリング装置、無線局装置をコンピュータで実現するようにしてもよい。その場合、この機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することによって実現してもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含んでもよい。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよく、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであってもよく、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のプログラマブルロジックデバイスを用いて実現されるものであってもよい。

以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。

１…基地局装置、２…無線局装置、３…見通し波、４…安定反射波、５…多重反射波、６…多重反射波、７…構造物、１０…基地局装置、１１…空間スケジューリング装置、１２…無線処理装置、２０…無線局装置、３０…無線局装置、４０…アンテナ、４１…ブロードサイドアレー、４２…リニアアレー、４３…正方アレー、５０…基準方位、１００…無線通信システム、１０１…無線通信システム、１０２…無線通信システム、１１０…記憶部、１１１…割当判定部、１１２…選択部、１１３…算出部、１１４…条件判定部、１１５…割当部

Claims (6)

1. 見通し環境である、等間隔アレーを有するアンテナを制御する基地局装置と複数の無線局装置との間で、空間多重伝送を実行する無線通信システムにおける空間スケジューリング方法であって、
   複数の前記無線局装置の位置情報を取得するステップと、
   前記無線局装置のうち割り当て待ちの無線局装置と、前記空間多重伝送を同時に実行する前記無線局装置の組み合わせに含まれる全ての前記無線局装置との間の、グレーティングローブに起因するチャネルの空間相関が、閾値以下になる条件を満たすか否かを、前記位置情報に基づいて、前記割り当て待ちの無線局装置ごとに判定するステップと、
   前記条件を満たす前記割り当て待ちの無線局装置を前記組み合わせに加えるステップと、
   前記割り当て待ちの無線局装置を加えた組み合わせに対して無線リソースを割り当てるステップと、
   を有する空間スケジューリング方法。
2. 前記等間隔アレーは、ブロードサイドアレー、リニアアレー又は格子状にアンテナ素子を配置したアレーである、請求項１に記載の空間スケジューリング方法。
3. 前記格子状にアンテナ素子を配置したアレーは、正方形若しくは長方形の格子状にアンテナ素子を配置したアレー、又は、平行四辺形の格子状にアンテナ素子を配置した平行四辺形アレーである、請求項２に記載の空間スケジューリング方法。
4. 見通し環境である、等間隔アレーを有するアンテナを制御する基地局装置と複数の無線局装置との間で、空間多重伝送を実行する無線通信システムにおける空間スケジューリング装置であって、
   複数の前記無線局装置の位置情報を取得し、前記無線局装置のうち割り当て待ちの無線局装置と、前記空間多重伝送を同時に実行する前記無線局装置の組み合わせに含まれる全ての前記無線局装置との間の、グレーティングローブに起因するチャネルの空間相関が、閾値以下になる条件を満たすか否かを、前記位置情報に基づいて、前記割り当て待ちの無線局装置ごとに判定し、前記条件を満たす前記割り当て待ちの無線局装置を前記組み合わせに加える条件判定部と、
   前記割り当て待ちの無線局装置を加えた組み合わせに対して無線リソースを割り当てる割当部と、
   を備える空間スケジューリング装置。
5. 前記等間隔アレーは、ブロードサイドアレー、リニアアレー、又は、格子状にアンテナ素子を配置したアレーである、請求項４に記載の空間スケジューリング装置。
6. 前記格子状にアンテナ素子を配置したアレーは、正方形若しくは長方形の格子状にアンテナ素子を配置したアレー、又は、平行四辺形の格子状にアンテナ素子を配置した平行四辺形アレーである、請求項５に記載の空間スケジューリング装置。

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